Chapitre 4 : Décontamination de substrats tubulaires par post-
III. Décontamination de substrats tubulaires en amont du réacteur :
réacteur :
Puisque la faible efficacité du traitement bactéricide est certainement due à la faible vitesse de l’écoulement de post-décharge à l’intérieur des tubes de petit diamètre, nous avons décidé d’exposer les bactéries en amont du réacteur, en aboutant directement les tubes à traiter à la sortie du tube à décharge.
Les modifications apportées au dispositif expérimental dans cette zone sont indiquées sur la figure 4.2. Pour conserver un régime de fonctionnement en post-décharge lointaine et en accord avec les résultats obtenus au Chapitre 2, la distance D1 a été fixée à 45 cm. Des tubes en quartz (φi = 4 mm) et en acier inox (φi = 4 et 8 mm) de longueur D2 = 5, 10, 15 et 20
cm ont été insérés à la suite du tube D1 ainsi que des tubes souples en polyamide (φi = 4, 6 et
8 mm) de plus grandes longueurs (D2 = 0,2, 0,5, 1, 2, 4, 7 et 10 m). Pour minimiser la taille du dispositif, les tubes en polyamide de longueur supérieure à 0,5 m ont été testés enroulés sur eux même, la tenue en pression du système étant assurée par de petits presse-étoupes.
Chapitre 4 : Décontamination de substrats tubulaires par post-décharge d’azote en flux Rouffet Benoît 162 Système de détection Débitmètre Générateur micro-ondes (surfatron) 2.45 GHz Fibres optiques N2 D1 D2 F2 F1
D1 : distance entre le surfatron et le tube contaminé
D2 : longueur du tube contaminé (variable entre 0.2 and 10 m) F1 : point de mesure en amont du tube contaminé
F2 : point de mesure en aval du tube contaminé Entrée du
réacteur
Figure 4.2 : Modifications apportées au dispositif expérimental pour permettre l’insertion de tubes de longueur variable D2 en amont du réacteur.
Des fibres optiques ont été positionnées en amont (F1) et en aval (F2) des tubes insérés pour collecter l’émission de la bande (11-7) du premier système positif à 580 nm et en déduire les concentrations correspondantes en atomes d’azote selon la méthode exposée au
Chapitre 2. Pour cette étude, les conditions opératoires ont été fixées telles que QN2 = 1,0 Nl/min, T = 300 K et pop = 5, 10 et 20 torr, correspondant respectivement aux
densités [N]F1 = 9,0.1020, 1,1.1021 et 1,4.1021 m-3 mesurées au point F1. On notera au passage
que ces densités sont en accord avec celles présentées sur la figure 2.19 pour la même distance (x = 45 cm) entre le surfatron et la zone de mesure.
Pour tous les tubes utilisés, le taux de perte atomique vaut :
[1 - ( [N]F2 / [N]F1 ) ] * 100 (4.1)
où [N]F1 (resp. [N]F2) est la concentration en atomes d’azote mesurée en amont (resp. en aval)
du tube étudié (position F1 (resp. F2) sur la figure 4.2).
Les résultats concernant les tubes de faible diamètre interne (φi = 4 mm, D2 ≤ 0.2 m)
sont présentés sur la figure 4.3. Pour les tubes en quartz et en polyamide, les pertes mesurées en atomes d’azote sont très modérées au bout de 20 cm de tube ; pour l’acier inox, la perte est plus prononcée mais la concentration à la sortie du tube est encore forte, supérieure à 1020 m-3.
0,05 0,10 0,15 0,20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T a u x d e p e rt e a to m iq u e ( 1 - ( [N ]F2 / [ N ]F1 ) ) . 1 0 0 Longueur D2 (m) Quartz Polyamide Acier inox
Figure 4.3 : Pertes en atomes d’azote mesurées à la sortie de tubes de différents matériaux et de différentes longueurs. QN2 = 1,0 Nl/min, pop = 20 torr, PMW = 100 W, D1 = 45 cm
Compte tenu de ces résultats, des longueurs de polyamide plus importantes (φi = 6 mm, D2 = 0,5, 1, 2, 3, 4, 5 et 6 m) ont été testées en utilisant la même procédure. Les
taux de perte reportés dans le tableau 4.2 démontrent que, pour des pressions de travail de l’ordre d’une dizaine de torrs, d’importantes concentrations en atomes d’azote peuvent être transportées à l’extrémité de tubes en polyamide (φi = 6 mm) de longueur excédant 4 m.
Pour pouvoir quantifier l’efficacité bactéricide du montage expérimental modifié (figure 4.2), les bactéries E. coli (106 ufc/ml), déposées sur leurs substrats plans en verre au
point F2 ont été traitées et dénombrées selon le même protocole opératoire que celui précédemment décrit. Ce travail bactériologique a été réalisé par Sandrine Villeger, adjointe au responsable scientifique de la société SATELEC (groupe ACTEON), détachée au LAPLACE.
Longueur D2 (m) 0.2 0.5 1.0 2.0 4.0 6.0 7.0
Taux de perte 28 % 43 % 71 % 84 % 89 % 93 % ≈100 %
Tableau 4.2 : Pertes en atomes d’azote mesurées à la sortie d’un tubes de polyamide de différentes longueurs (φφφφi = 6 mm). QN2 = 1,0 Nl/min, pop = 20 torr, PMW = 100 W, D1 = 45 cm
Chapitre 4 : Décontamination de substrats tubulaires par post-décharge d’azote en flux
Rouffet Benoît 164
Les résultats présentés dans les tableaux 4.3 et 4.4 montrent la corrélation qui existe entre la densité d’atomes d’azote présente à la sortie des tubes testés et le pouvoir décontaminant de la post-décharge. Pour les conditions opératoires testées (QN2 = 1,0 Nl/min,
pop = 20 torr, PMW = 100 W, D1 = 45 cm), la densité [N]F1 est de l’ordre de 1,4.1021 m-3. A la
sortie de 20 cm de tubes de quartz ou de polyamide (φi = 4 mm), cette densité est réduite de
près de 30 % ([N]F2 ≤ 1,0.1021 m-3) et la population de bactéries initiale est réduite de 2 à 3
ordres de grandeur (cf. figure 4.1). Pour l’acier inox, le taux de perte obtenu à la sortie d’une tubulure de 20 cm de longueur (dimension typique d’une pièce à main en dentisterie) est conséquent : 70 %, correspondant à la densité [N]F2 ≈ 4,0.1020 m-3 et à une efficacité
bactéricide inférieure à deux log. Tubes
(D2 = 0,2 m, φi = 4 mm)
Quartz Polyamide Acier inox Niveau d’inactivation 99,8 % 99,7 % 98,7 %
Taux de perte atomique 29 % 26 % 70 %
Densité [N]F2 (m-3) 9,9.1020 1,0.1021 4,0.1020
Tableau 4.3 : Niveaux d’inactivation, taux de pertes en atomes d’azote et densité atomique mesurés à la sortie de tubes de quartz, polyamide et acier inox (D2 = 0,2 m, φφφφi = 4 mm)
QN2 = 1,0 Nl/min, pop = 20 torr, PMW = 100 W, D1 = 45 cm
Pour le polyamide, matériau couramment utilisé dans l’instrumentation médicale, 93 % des bactéries E. coli exposées ont été inactivées à la sortie d’un tube de 6 m de longueur (φi = 6 mm), bien que 93 % de la densité atomique entrant dans le tube ait été perdue.
Longueur du tube polyamide D2 (m) 1 6
Niveau d’inactivation 97 % 93 %
Taux de perte atomique 71 % 93 %
Densité [N]F2 (m-3) 4,1.1020 9,8.1019
Tableau 4.4 : Niveaux d’inactivation, taux de pertes en atomes d’azote et densité atomique mesurés à la sortie de tubes en polyamide de différentes longueurs (φφφφi = 6 mm)
Ces résultats démontrent qu’une densité d’atomes d’azote minimale voisine de 2,0.1021 m-3 est nécessaire à l’obtention du niveau d’assurance de sécurité préconisé égal à
10-6. Cette densité est légèrement supérieure à celle nécessaire pour obtenir le même résultat sur des substrats plans à l’intérieur du réacteur, ce qui est normal compte tenu de la différence de temps de séjour des atomes au voisinage des bactéries dans les deux zones d’exposition.
Les résultats exposés précédemment ont été obtenus en laissant la température des tubes évoluer sans contrôle. Sachant que l’ajout d’un chauffage modéré des substrats (60 °C) améliore notablement l’efficacité bactéricide de la post décharge, [Villeger, 2005] ils sont très encourageants pour le développement ultérieur d’un procédé de décontamination de l’instrumentation médicale de faible diamètre par post décharge d’azote en flux.
IV.
Conclusion :
Par rapport à une exposition dans le réacteur, l’injection de la post-décharge d’azote dans le tube à décontaminer a considérablement amélioré le traitement des tubulures de faible diamètre (< 1 cm).
Obtenus en laissant évoluer sans contrôle la température des tubes, les résultats sont très encourageants pour le développement ultérieur d’un procédé de décontamination de l’instrumentation médicale de faible diamètre par post décharge d’azote en flux, sachant que l’efficacité bactéricide de la post-décharge est renforcée par un apport modéré de température [S.Villeger, 2004].
Conclusion et perspectives
Le point de départ de cette étude concerne l’optimisation d’un procédé de stérilisation de l’instrumentation médicale basé sur une post décharge en flux d’azote. Les travaux précédents ayant permis d’identifier les atomes d’azote en tant qu’agents essentiels de la décontamination, nos propres travaux se sont concentrés sur la compréhension de l’hydrodynamique et de la cinétique chimique des espèces actives de l’écoulement réactif durant leur transport entre la zone de production (décharge) et la zone de traitement (réacteur).
Dans une première étape, nous nous sommes attachés à définir les conditions d’obtention (pression, température, distance à la décharge) d’un régime de post-décharge lointaine. Différentes méthodes, basées sur la comparaison entre les spectres simulés et mesurés émis par le premier système positif de l’azote entre 880 et 895 nm, ont permis de démontrer que, pour la gamme de débit d’azote (0,5 – 1,0 Nl/min) et de pression (5 – 30 torr) étudiée, la température du gaz de post-décharge était proche de la température ambiante à partir d’une distance de 30 cm de la décharge.
Conclusion et perspectives
Rouffet Benoît 168
Dans la post-décharge lointaine, les espèces chimiques présentes en concentrations non négligeables sont les atomes d’azote et les premiers niveaux vibrationnels de l’état fondamental de la molécule. Dans ces conditions, la chimie se produisant dans cette zone est pratiquement limitée aux processus de recombinaison des atomes dans la phase gazeuse et à l’interface gaz-solide. Les processus de recombinaison hétérogène sont encore mal connus aujourd’hui comme en témoigne le peu de données de la littérature et l’importante disparité des valeurs publiées de la probabilité de recombinaison hétérogène γN. La post-décharge
lointaine apparaît donc comme un lieu d’investigation privilégié de ces processus, que nous avons tenté de mettre à profit.
Jusqu’à présent, les diagnostics utilisés dans l’équipe pour évaluer la répartition spatiale de la densité en atomes d’azote étaient basés sur des méthodes de spectroscopie d’émission optique (titrage au monoxyde d’azote, intensité de la bande émise par le premier système positif de l’azote à 580 nm). Intégrant le signal sur une corde de visée, ces méthodes ne permettaient pas de remonter à des concentrations atomiques locales.
Notre contribution a concerné la réalisation d’un réacteur permettant d’effectuer le diagnostic local de la concentration atomique par fluorescence laser à deux photons (TALIF). Avec ce diagnostic, les atomes présents à l’état fondamental dans un volume contrôlé de l’ordre de quelques mm3 sont excités par l’absorption de l’énergie de deux photons et leur émission de fluorescence observée perpendiculairement à l’axe du laser. Les mesures ont été réalisées à l’entrée du réacteur et en quatre points de son axe.
Après calibration par le Krypton, les densités absolues d’atomes ont été comparées avec celles obtenues par la méthode du titrage au NO. Compte tenu de la forte incertitude de mesure (supérieure à 50 %), l’accord entre les différents jeux de mesure est acceptable et
conduit à des densités en atomes N injectées dans le réacteur voisines de 1021 m-3, correspondant à des taux de dissociation de l’azote compris entre 0,5 et 1,0 %. Les différences qui existent entre les valeurs fournies par les deux méthodes peuvent certainement être attribuées au caractère fortement perturbant de la méthode de titrage qui conduit à une surestimation de la densité atomique.
Une modélisation fluide tridimensionnelle de l’écoulement post-décharge tenant compte de la géométrie réelle de la zone d’injection et du réacteur et des couplages entre l’hydrodynamique de l’écoulement et les cinétiques en phases homogènes et hétérogènes à été réalisée à l’aide du logiciel de CFD Fluent. L’étude de la zone d’injection a permis de montrer qu’à fort débit (1,0 Nl/min), la condition aux limites de la vitesse à l’entrée du réacteur ne pouvait pas être obtenue à partir du débit mais était encore fortement influencée par la vitesse élevée à la sortie du tube à décharge.
Les cartographies mesurées et calculées de la concentration en atomes d’azote ont tout d’abord été étudiée dans le réacteur vide. L’accord quantitatif entre les densités d’atomes prédites par le modèle et mesurées par TALIF sur l’axe du réacteur est bon à haute pression. Il se détériore au fur et à mesure que la pression diminue mais confirme le passage d’un régime de jet de post-décharge à un régime plus diffus.
L’influence de la recombinaison hétérogène sur les parois du réacteur en Pyrex a été ètudiée mais, les mesures présentées dans cette partie de l’étude étant réalisées loin des parois, elles ne permettent pas de remonter à des valeurs précises de γN/Pyrex, le modèle ayant
Conclusion et perspectives
Rouffet Benoît 170
Toutefois, les résultats obtenus montrent que la probabilité de recombinaison de l’azote atomique sur les parois en Pyrex du réacteur est vraisemblablement inférieure à 10-4.
Les probabilités de recombinaison de l’azote atomique sur différents matériaux ont ensuite été calculées par deux méthodes en soumettant des échantillons de ces matériaux à l’écoulement post-décharge :
• la première méthode est basée sur la mesure de l’échauffement induit par le caractère exothermique des processus hétérogènes et sur la comparaison des températures de surface mesurées et prédites par le modèle. Elle permet d’obtenir le coefficient de transfert d’énergie γ’N , ici identifié à γN par
l’hypothèse d’une accommodation parfaite (β = 1) sur tous les matériaux étudiés ;
• la seconde compare les profils de densité atomique mesurés par TALIF et calculés au proche voisinage de plaques de matériaux. Cette méthode permet un accès direct à
γ
N.Pour les différents matériaux testés, les γN s’étagent entre quelques 10-5 (Pyrex) et
quelques 10-3 (laiton). Pour un matériau donné, les valeurs fournies par les deux méthodes sont en accord et mettent en évidence une dépendance inverse de γN avec la pression.
Enfin, les possibilités de décontamination de tubulures de faible diamètre (φi < 1 cm)
par des post-décharges en flux basse pression d’azote ont été explorées.
Il a tout d’abord été démontré que, si la décontamination microbienne par le procédé post décharge était efficace lorsque les micro-organismes étaient déposés sur des substrats plans dans le réacteur, son efficacité était quasi nulle lorsque ceux ci étaient installés dans des
substrats tubulaires de diamètre inférieur à celui de l’injecteur, la post décharge ne pouvant plus dans ce cas pénétrer profondément à l’intérieur des tubes. Le dispositif expérimental a donc été modifié pour permettre le passage de la post décharge à l’intérieur du tube à décontaminer.
Des tubes de quartz, d’acier inox et de polyamide de différents diamètres et longueurs ont été aboutés à la sortie du tube à décharge et les taux de perte en azote atomique mesurés à la sortie de chaque tubulure testée. La corrélation entre le niveau de décontamination et la densité [N] observée en sortie de tube a été effectuée.
Il apparaît qu’avec cette configuration, des tubes en acier inox d’une dizaine de centimètres (φi = 4 mm) et des tubes en polyamide (φi = 6 mm) de plusieurs mètres de long
peuvent être efficacement traités et une densité en atomes d’azote minimale voisine de 2,0.1021 m-3 est nécessaire à l’obtention d’un bon niveau de décontamination.
Ces premiers résultats sont très encourageants pour le développement ultérieur d’un procédé de décontamination de l’instrumentation médicale de faible diamètre par post décharge d’azote en flux.
La mise en place du diagnostic TALIF, couplée à celle du modèle fluide, a permis de passer d’un traitement qualitatif à une approche quantitative des phénomènes se produisant dans l’écoulement post-décharge. Le modèle peut maintenant servir à prédire les conditions optimales du procédé de décontamination dans la géométrie d’un stérilisateur plasma prototype et être utilisé pour obtenir la répartition spatiale des espèces atomiques en charge, c’est à dire en fonction du remplissage du réacteur par l’instrumentation à traiter.
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